Windkraftanlagen im Klima-Check

Windkraftanlagen sind technisch hochkomplexe Systeme, bei denen die Bewegungsenergie des Windes als Rotationsenergie eingefangen und in einen Generator übertragen zu elektrischem Strom umgewandelt wird. Dazu sind jede Menge elektronische Bauteile notwendig und von Kopf bis Fuß in Windenergieanlagen verbaut. Entsprechend ist auch das richtige Thermalmanagement ein wichtiges Thema. Elektronische Geräte benötigen stets zuverlässige Temperaturverhältnisse, dürfen nicht überhitzen aber auch nicht unter einer zulässigen Temperaturangabe betrieben werden. Auch anfallendes Kondensat kann schwerwiegende Schäden an der Elektronik verursachen. Zudem herrschen vor allem in Offshore-Anlagen widrige Umgebungsbedingungen, die es zu berücksichtigen gilt.

Perfektes Thermal Management für Windkraftanlagen

Der Smart Sensor CSS 014 von STEGO ist darauf ausgelegt, Temperaturen und Feuchtigkeit zuverlässig zu erfassen und die Daten über geeignete Schnittstellen zu übertragen, sodass Betreiber thermische Bedingungen und Änderungen in Windkraftanlagen stets zuverlässig im Blick haben. Die Sensoren schaffen eine bessere Datenlage, indem sie kontinuierlich genaue Informationen über die klimatischen Bedingungen im Inneren der Anlage liefern. Auf dieser Basis lassen sich Klimakomponenten exakt steuern, um Temperatur und Feuchtigkeit präzise zu regeln, was ideale Betriebsbedingungen gewährleistet.

Aufgrund der optimierten Steuerung werden die Komponenten weniger belastet und vor Schäden durch Kondensat oder Überhitzung geschützt. Folglich verlängert sich die Standzeit von Windkrafträdern und Ausfälle werden reduziert. Weniger Ausfälle bedeuten wiederum niedrigere Wartungskosten und eine höhere Verfügbarkeit der Anlage, was letztendlich Kosten spart und den Gewinn sichert.

Genau hierfür wurde der Smart Sensor CSS 014 von STEGO einst als Antwort auf die Anforderungen eines Herstellers von Windkraftanlagen entwickelt und hat sich mittlerweile dank seiner Effizienz und der allgemeinen Digitalisierung in zahlreichen anderen Branchen etabliert, beispielsweise auch in der Ladeinfrastruktur für die Elektromobilität (s. Kastentext).

Windkraft auf dem Vormarsch

In Deutschland gibt es derzeit 1.566 Offshore Windkraftanlagen, aufgeteilt in 29 Windparks, die sich vor den Nord- und Ostseeküsten befinden. Sie erzeugen mittlerweile 8.465 MW Nennleistung im Jahr (Stand 2023) *¹, das sind über 7.000 MW Nennleistung mehr als noch vor zehn Jahren. (Im Vereinigten Königreich sind es bereits 14,7 GW und in China 37,3 GW.)

Das Ziel der Bundesregierung lautet, bis zum Jahr 2045 im Minimum 70 Gigawatt Offshore-Windenergie in deutschen Gewässern zu installieren. Diese Ausbauziele wurden sogar in Form einer Änderung im Windenergie-auf-See-Gesetz (WindSeeG) beschlossen.

Während Offshore bei der Bruttostromerzeugung aus erneuerbaren Energien in Deutschland mit 23,8 TWh derzeit noch den vierten Platz belegt, ist die Onshore-Windkraft mit 120,9 TWh Spitzenreiter und im Vergleich zu 2021 um über 30 Prozent gestiegen. *²

Um die angestrebten Klimaziele bis 2030 zu erreichen, müssten laut EnBW dennoch auch in diesem Segment weitere Windanlagen mit 10.000 MW gebaut werden. Die Windkraft ist also einer der wichtigsten Pfeiler wenn es um die Energieversorgung mit Ökostrom geht. Und der Ausbau schreitet zunehmend voran.

Ausfallsicherheit dank zuverlässiger Ferndiagnose

Für eine sichere und zuverlässige Stromerzeugung ist es wichtig, die sensible Elektronik in Windkraftanlagen zu überwachen und regelmäßige Wartungen durchzuführen – eine teure Angelegenheit, vor allem, wenn es um Offshore-Anlagen geht. Denn diese sind oft schwer zugänglich, nur aufwändig zu erreichen und die rauen Wetterbedingungen auf hoher See machen die Arbeiten dort zu einer Herausforderung.

Um die Anlagen dennoch ständig unter Kontrolle zu haben, werden Condition Monitoring Systeme zur Ferndiagnose eingesetzt. Die Komplexität der Elektronik nimmt somit immer weiter zu. Um sie zu schützen und technisch bedingte Ausfälle zu verhindern, sind die Smart Sensoren CSS 014 von STEGO Teil der Systeme. Der Sensor steht für die digitale Evolution im Thermalmanagement von Elektronikeinbauten. Er misst die wichtigen Parameter Temperatur von –40 °C bis 80 °C und relative Luftfeuchte von 0 bis 100 % rF und lässt somit wichtige Rückschlüsse über den Betrieb der Anlage zu. Herrscht in der Windkraftanlage Über- oder Untertemperatur, signalisiert das Gerät Handlungsbedarf, denn dann drohen wichtige Komponenten und somit Funktionen auszufallen. Dank zusätzlich überliefertem Histogramm über sämtliche gemessene Daten, hat man den Anlagenzustand stets zuverlässig im Blick.

Flexibel und einfach integriert dank IO-Link

Als Kommunikationsprotokoll entschied man sich bei STEGO für IO-Link. Somit lässt sich der Smart Sensor auch per Schnittstellen-Software am PC für den Einsatz in Windkraftanlagen leicht parametrieren. Zudem gewährleistet IO-Link Flexibilität, da sich Sensoren und Aktoren verschiedener Hersteller durch standardisierte Schnittstellen einfach integrieren lassen. Auch der Verkabelungsaufwand hält sich dank IO-Link mit standardisierten, ungeschirmten mindestens dreiadrigen Kabeln in Grenzen. Die Installation ist einfach durchzuführen, was letztendlich Zeit und Kosten reduziert.

Über IO-Link werden die erhobenen Daten an eine übergeordnete Anlagensteuerung übertragen. Dem Anwender stehen neben den reinen Schaltparametern für Temperatur und Feuchte außerdem zusätzliche konfigurierbare „Ereignisse“ zur Verfügung. Das Stichwort lautet: Mehrwertdaten. Da IO-Link den Zugriff auf erweiterte Diagnosedaten und Parameter von Geräten ermöglicht, können Überwachung und Wartung je nach Anwendungsszenario individuell angepasst und optimiert werden. Die zentrale Konfiguration und Parametrierung der Geräte erleichtern die Inbetriebnahme und spätere Änderungen erheblich.

Zusammengefasst kombiniert IO-Link eine einfache Installation, mit Flexibilität, erhöhter Datenverfügbarkeit und Kosteneffizienz.

In manchen Anlagen wird der Smart Sensor auch in einer 4-20 mA Ausführung eingesetzt. Hier stehen der Turbinensteuerung dann nur die Messwerte zu Temperatur und Feuchte zur Verfügung. Da sich STEGO bereits seit vielen Jahren mit seinen Produkten rund um das Thermal Management im Sektor Windkraft bewegt, fügt sie der Smart Sensor CSS 014 perfekt in das Portfolio, bestehend aus Hygrostat, Filterlüfter, Heizgebläse, Thermostat und LED-Beleuchtung, ein.

Nachhaltiger Elektronikschutz – auch im Gerät selbst

Die Sensoreinheit selbst ist so entwickelt, dass sie sich den rauen Einsatzbedingungen auf hoher See perfekt anpasst. So haben die Wärmemanagement-Experten von STEGO das Gerät thermisch entkoppelt und mit einer umlaufenden Dichtung abgekapselt, was zu hoher Vibrationsbeständigkeit und der Schutzart IP57 im Bereich des Sensors führt. Auf der schutzlack-beschichteten Platine des CSS 014 finden sich Microcontroller, Schnittstellentreiber und EMV-Schutzeinheit in abwärme-optimierter Anordnung wieder, so dass eine Beeinflussung der Messwerte durch Abwärme nahezu eliminiert ist.

Mithilfe der Messwerte lässt sich nicht nur eine zuverlässige Ferndiagnose durchführen, auch die Steuerung der gesamten Windenergieanlage lässt sich optimieren und einzelne Geräte wie Lüfter und Kühlgeräte oder Heizungen können bedarfsorientiert angesteuert werden. Die übergeordnete Steuerung entscheidet dabei anhand der übergebenen Daten, welche Aktionen durchgeführt werden müssen. Beispielsweise lassen sich Aktoren punktgenau ansteuern, um den angestrebten Betriebszustand herzustellen oder gewünschte Umgebungsparameter zu gewährleisten.

Vorteile gegenüber eine klassischen Zweipunkteregelung

Die Steuerung von Klimatisierungskomponenten wie Heizungen und Lüftern über einen Temperatur- und Luftfeuchtesensor in Kombination mit einer Anlagensteuerung bietet gegenüber einem klassischen Zweipunktregler deutliche Vorteile: Während der Zweipunktregler lediglich zwischen zwei Zuständen (ein/aus) wechselt, ermöglicht die sensorgesteuerte Anlage eine präzisere und kontinuierliche Anpassung der Klimatisierung. Das ermöglicht der Anlagensteuerung, den Betrieb der Klimatisierungskomponenten genauer an den tatsächlichen Bedarf anzupassen. Ein unnötiges Ein- und Ausschalten wird verhindert, was den Energieverbrauch reduziert und die Lebensdauer der Komponenten verlängert.

So trägt die sensorgesteuerte Steuerung insgesamt zu einem effizienteren, präziseren und langlebigeren Betrieb der Komponenten bei. Notwendige Reparatureinsätzen werden ebenfalls verringert, was vor allem auf hoher See einen erheblichen Kostenfaktor darstellt. Natürlich eignet sich der Smart Sensor CSS 014 auch für den Einsatz in Onshore-Windenergieanlagen. Anwendungen und Funktionsweisen bleiben dabei gleich. Im Offshore-Bereich spielt die Fernwartung nur eben eine bedeutendere Rolle, allein bezüglich der Erreichbarkeit der Windparks auf hoher See.

*¹ Statistik, Erhebung durch Deutsche WindGuard, „Status des Offshore-Windenergieausbaus in Deutschland“

*² Erhebung durch BDEW; ZSW; Statistisches Bundesamt, Jahresbericht „Die Energieversorgung 2023“

Einsatz in der Ladeinfrastruktur für Elektromobilität

Der Smart Sensor CSS 014 von STEGO ist sehr kosteneffizient, somit lohnt sich sein Einsatz auch für kleinere Anwendungen. Als ein Beispiel sei hier die Ladeinfrastruktur für die zunehmende Elektromobilität genannt. Während eines Ladevorgangs entsteht Wärme, was zu einer großen Temperaturdifferenz zwischen dem Inneren der Ladesäule und der Außentemperatur führen kann. Diese kann dazu führen, dass im Inneren der Ladesäule Kondensat entsteht, welches im schlimmsten Fall für Ausfälle der Elektronik sorgt. Auch eine Überhitzung durch die Abwärme beim Ladevorgang oder zu niedrige Umgebungstemperaturen – vor allem im Winter – können den elektronischen Bauteilen schaden.

Der Smart Sensor CSS 014 sorgt in diesen Anwendungen für das ideale Thermalmanagement. Dabei misst er kontinuierlich die Temperatur und Luftfeuchtigkeit im Inneren der Säule. So können die vorherrschenden Bedingungen in der Ladesäule zuverlässig überwacht rechtzeitig Maßnahmen ergriffen werden, um Schäden zu vermeiden. Dadurch werden Ausfälle verhindert, die Betriebskosten gesenkt und die Verfügbarkeit der Ladesäulen erhöht.